基于生物识别技术的高校实验室考勤管理系统设计

王 海，梁 群

（1.南宁学院 土木与建筑工程学院，广西 南宁 530200；2.南宁师范大学，广西 南宁 530000）

0 引言

随着各高校招生规模的不断扩大，对于学生的日常管理难度也有所增加，当代的大学生思想独立，拥有自己的想法，传统的考勤管理制度存在的问题较多，例如考勤结果不能及时反馈、考勤数据的真实性无法检测等，已经无法满足当前的管理需求[1⁃3]。为了能够对高校学生的实验室考勤实施全面管理，需要采取新的方案与措施，弥补传统考勤管理过程中的缺陷。伴随着信息领域关键技术的创新发展，生物识别技术应运而生，其主要是将计算机技术与光学技术等高新科技手段相结合，利用生物传感器提取人体的生理特征，并利用其特征完成身份鉴定[4⁃6]。将生物识别技术应用到高校实验室的考勤管理系统设计当中，完善原有的考勤管理系统，根据所获取的数据库信息，统计学生的出勤情况，实现高校实验室考勤管理自动化。

1 高校实验室考勤管理系统硬件设计

1.1 总体结构优化

高校实验室考勤管理系统的硬件部分需要以系统的稳定性为设计前提，并保证该系统设计完成后，能够便于后续的维修与升级，其具体设计结构图如图1所示。

图1 硬件设计结构图

图1 中，在原有硬件的基础上，增加人机交互模块，并选取合适的单片机作为系统的主控芯片，集片内振荡器与时钟电路于一体，提供可重复使用的大容量闪存，并利用内部RAM 存储所采集到的考勤数据信息。

1.2 异步串口扩展芯片

由于图1 当中的单片机只有一个串行口，但无线传输与指纹识别模块都需要通过串行接口相连接，为此需要扩展串行接口模块。选用GM8125 型号串口扩展芯片，该芯片与单片机的接口电路如图2 所示。

图2 串口扩展芯片与单片机接口电路

该芯片将全双工的标准串口扩展成3 个标准串口，并将各自串口的波特率统一调整，采用单通道模式，简化初始步骤，利用地址线控制工作串口，选择多通道模式，既能够在保证其与标准串口通信格式兼容的前提下，使子串口的波特率[7⁃9]达到38400 b/s，也能够满足实验室考勤系统的工作需求。在完成系统硬件部分的优化设计后，利用生物识别技术设计高校实验室考勤管理系统软件。

2 基于生物识别技术的高校实验室考勤管理系统软件设计

2.1 指纹图像特征提取

若想要利用生物识别技术判断学生身份，并完成实验室考勤管理的数据统计，首先需要提取学生的指纹图像特征，身份识别结果是否准确主要是由特征点的定位决定的[10⁃12]。图像采集是生物识别的第一步，也是最为关键的一步，为了实现图像特征的提取以及模式的匹配，必须使信息采集的过程严谨，以保证采集结果的有效性，将所采集到的图像任意一点的像素值设置为1，则有：

式中：h(o,k)表示图像处理后在(o,k)点的灰度值；f(o,k)表示原图像在该点的灰度值。

将原始图像通过Gabor 滤波器实现指纹增强，得到滤波后的指纹图像，并获取各自的纹线结构，提取指纹图像方向信息，将该信息运用到滤波后的图像集中：

式中：αa表示沿a轴的高斯包络常数；αb表示沿b轴的高斯包络常数；i0表示正弦曲线波形沿a轴的频率。

根据上述计算，获取到Gabor 滤波器的调制转换函数为：

在完成上述计算后，结合实际应用情况，在指纹信息采集过程中，极有可能受到随机因素的影响。为避免这一情况发生，将指纹图像均衡化处理，增强图像对比度，完成降噪处理。

2.2 考勤管理用户权限设定

在通过上述操作，提取到指纹图像特征后，设置考勤管理用户的相关权限。将高校教师权限设定为日常管理权，高校学生权限设定为考勤记录权。利用计算机程序，将用户权限按照校级、院级划分，其部分关键代码如下：

具体的考勤管理权限设定界面如图3 所示。

图3 考勤管理权限界面

图3 中，考勤管理权限的设定是为了方便考勤数据的导出与管理，将所采集到的数据信息存储至系统数据库，管理员通过用户身份认证，获取到考勤指纹，并与初始设置当中的指纹相对比，确认学生身份。将该学生的考勤信息记录到档案当中，为日后的期末成绩评判提供参考依据[13⁃15]。至此，完成基于生物识别技术的高校实验室考勤管理系统设计，为验证所设计系统在实际应用中的效果，设计仿真对照实验，测试系统性能。

3 系统性能测试

将生物识别技术应用于高校实验室考勤管理系统当中后，需要测试该系统的性能，设计如下实验，经过所设计系统与原有系统的应用效果对比分析后，得出最终测试结果。

3.1 测试准备过程

为保证实验的真实性以及实验结果的可靠性，将实验地点设置在某知名高校的实验室，并随机选取某专业的20 名学生作为实验对象，除所需验证的对比变量外，其他实验变量皆取相同数值。利用所设计的考勤管理系统采集学生指纹数据，得到如图4 所示的相关信息。

将所获取到的数据信息输入至计算机程序当中，计算其类间类内匹配度值，并与原有系统对照分析，判断两者对于指纹识别的效果差异。

3.2 结果对照分析

完成上述实验准备后运行计算机程序，开始实验模拟过程，并得到如图5 所示的实验结果曲线。

图5 为所设计的实验室考勤管理系统，以及原有系统对参与实验的20 名学生指纹特征识别程度的模拟结果曲线。将采集到的指纹数据与数据库当中初始数据相比配，得到如图5 所示的结果曲线。由两者之间的对比能够看出，原有系统的指纹匹配度远低于所设计系统的指纹匹配度，且曲线波动较大，表明其信息匹配不稳定；而所设计系统优化了这一缺陷，提高了指纹信息的识别率，提高了系统的匹配程度。

图4 指纹数据采集过程

图5 测试对比结果

4 结语

学生的课堂考勤制度是各个高校对学生管理与成绩统计的重要组成部分，传统的考勤制度及管理方法有较多的不足，已经无法满足高校的管理需求，针对这一问题提出了相应的改进方法。人类手指纹路具有高度的细节和丰富且唯一的纹理，能够用于身份的认证与识别，将指纹识别技术应用到高校实验室考勤管理当中，使高校对于学生的日常管理更加方便快捷。实验结果表明，将生物识别技术应用到考勤管理系统当中，能够为管理者提供一定的便利，但此次研究时间紧张，在许多方面仍有不足，且生物识别技术的发展仍有很大空间，今后可以尝试将其指纹识别与其他生物识别技术相结合，从而进一步完善系统设计模式。